一種潤滑油膜厚度的電容測量裝置及其測試方法與流程

本發(fā)明公開了一種潤滑油膜厚度的電容測量裝置及其測試方法，屬于電容檢測的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

彈流潤滑油膜厚度是表征潤滑狀態(tài)的重要標(biāo)志之一，決定著機(jī)械零件工作表面間的潤滑狀態(tài)，因而往往是彈流摩擦學(xué)研究中首先考慮的問題。油膜厚度是保證摩擦副可靠、穩(wěn)定工作的最主要參數(shù)，為了保證軸承處于液體動(dòng)力潤滑狀態(tài)，必須滿足最小油膜度處大于軸承兩表面高峰不平度的和，否則將出現(xiàn)接觸摩擦，甚至?xí)p害部件。因此，摩擦副之間潤滑油膜厚度的測量，是對摩擦副運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷的關(guān)鍵技術(shù)，也是檢測難度最大的參數(shù)。彈流潤滑油膜厚度值一般處于微米級別，采用直接測量方式比較困難。電容測試法是一種比較成熟的技術(shù)，是潤滑油膜測試技術(shù)中積累數(shù)據(jù)最多、使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富的方法，是一種公認(rèn)的有效檢測油膜厚度的方法。其原理是通過測量兩物體之間的電容值來判斷油膜厚度。如果已知潤滑油的介電常數(shù)，根據(jù)油膜的電容值隨油膜厚度增加而降低的變化關(guān)系，可相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出油膜厚度。電容測試法是一種定量測量油膜厚度的簡便方法，測量的油膜電容值的數(shù)值在皮法與微法量級。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種簡便可行的摩擦副間潤滑油膜厚度測試裝置及方法，結(jié)合電容測量技術(shù)，能夠用于檢測并獲取實(shí)際工況中摩擦副潤滑油膜厚度的信息。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種油膜厚度的電容測量裝置，包括一個(gè)與受試摩擦副相連的補(bǔ)償箱，所述補(bǔ)償箱通過一條三線電纜和BNT同軸連接器與主控系統(tǒng)連接，通過所述主控系統(tǒng)中參照電容控制器將所述受試摩擦副電壓傳輸至濾波器，受試摩擦副電壓信號經(jīng)所述濾波器分別傳輸給PCT控制器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為所述受試摩擦副的電容，最終通過公式計(jì)算出受試摩擦副之間的潤滑油膜厚度，所述參照電容控制器、濾波器以及PCT控制器由主電源箱供電。

優(yōu)選的，所述補(bǔ)償箱中包含有8個(gè)并行排列的電容，用來補(bǔ)償連接電纜引線的電感，減少電纜本身對測量的影響，受試摩擦副電壓信號經(jīng)補(bǔ)償箱處理后傳輸至參照電容控制器。

優(yōu)選的，所述參照電容控制器擁有3個(gè)電容選項(xiàng)(100pF，1nF，10nF)，可產(chǎn)生不同的參照電壓Vr，進(jìn)而利用參照電壓與受試摩擦副電壓Vt進(jìn)行對比，經(jīng)PCT控制器處理后得出PCT值，受試摩擦副電壓信號經(jīng)過參照電容控制器處理后傳輸至濾波器。

優(yōu)選的，所述濾波器為一個(gè)低通濾波器，擁有5個(gè)截止頻率選項(xiàng)：3、10、30、100KHz以及全通，低于濾波器選定截止頻率的受試摩擦副電壓信號將被傳輸至PCT控制器進(jìn)行處理。

優(yōu)選的，所述PCT控制器處理由濾波器傳輸?shù)腜CT信號，得出PCT電壓值Vp。

優(yōu)選的，所述主電源箱可進(jìn)行外接電源或者充電電池供電。主電源箱中配有電源適配器，可適應(yīng)99-255V的外接電源；充電電池為12V鋰電池，閑置時(shí)可使用主電源箱中充電器進(jìn)行充電。

一種采用前述裝置實(shí)現(xiàn)潤滑油膜的電容測試方法，包括下述步驟：

(1)對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)試：將電容測試裝置與樣品電容(電容值Cs＝400nF)連接，開啟補(bǔ)償箱、參照電容控制器和濾波器電源，將參照電容值(Cr)設(shè)定為10nF，并將濾波器調(diào)至3KHz。

(2)受試電容器連接系統(tǒng)后的輸出電壓Vt可根據(jù)公式計(jì)算，式中受試電容值Ct＝樣品電容值Cs＝400nF，Vmax為系統(tǒng)最大輸出電壓＝10V，參照電容Cr＝10nF。

(3)根據(jù)需要，逐個(gè)連接補(bǔ)償箱中的電容，直到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的輸出電壓等于第(2)步中計(jì)算出的輸出電壓Vt。因這幾個(gè)電容為并聯(lián)，補(bǔ)償總電容即為所連接電容的和值。至此，校準(zhǔn)調(diào)試步驟完成。校準(zhǔn)完成后，受試摩擦副輸出電壓等于第(2)步中公式所計(jì)算出的輸出電壓Vt。

(4)進(jìn)行摩擦副電容測試：用電纜將受試摩擦副表面測點(diǎn)位置與補(bǔ)償箱連接起來，并將摩擦副表面測點(diǎn)與電纜連接處用環(huán)氧樹脂封裝，避免信號受外部干擾。

(5)調(diào)試參照電容控制器中參照電容值：從可選的三個(gè)參照電容值中的10nF開始選擇，如輸出電壓值Vt大于5V，則選用1nF；如輸出電壓值Vt任然大于5V，則選用100pF。

(6)調(diào)節(jié)濾波器：依次選擇通濾波器的5個(gè)截止頻率對輸出信號消噪，選擇輸出信號噪聲信號最小的截止頻率。

(7)上述步驟正確完成后，PCT控制器輸出值Vp即受試摩擦副在某一段單位測試時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)干摩擦(油膜厚度為0)的比例。

(8)經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的電壓值Vt即為受試摩擦副電容形成的電壓，然后可根據(jù)公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)可計(jì)算出被測脂膜厚度所對應(yīng)的電容Ct。

(9)根據(jù)公式可以計(jì)算出膜厚值d，式中εr為材料相對靜態(tài)介電常數(shù)，對于真空來說，其值為1，ε0為真空節(jié)點(diǎn)常數(shù)值(8.854×10^-12Fm^-1)，A為摩擦副重合面積。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)與突出效果：

本發(fā)明采用電容測量技術(shù)可以有效獲得摩擦副接觸點(diǎn)處油膜厚度，從而為摩擦副的摩擦學(xué)特性研究創(chuàng)造條件。該方法能夠檢測實(shí)際工況下摩擦副間潤滑狀況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部潤滑失效甚或碰磨情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的示意圖；

圖2為主電源箱示意圖；

圖3為潤滑油膜厚度的電容測量裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為通過本裝置與方法獲取的不同電容值的摩擦副輸出電壓Vt隨著參照電容值變化的部分趨勢圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。本說明書及其附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實(shí)施例，但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本說明書所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。在圖中，結(jié)構(gòu)相似的單元是以相同標(biāo)號表示。

如圖1所示，一種潤滑油膜厚度的電容測量裝置包括：主電源箱、三線電纜、BNT同軸連接器、補(bǔ)償箱、主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)中包括：參照電容控制器、濾波器、PCT控制器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出受試摩擦副形成的電壓，然后推導(dǎo)出被測脂膜厚度所對應(yīng)的電容，最終計(jì)算出受試摩擦副潤滑油膜厚度。

主電源箱基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主電源箱可進(jìn)行外接電源或者充電電池供電。主電源箱中配有電源適配器，可適應(yīng)99-255V的外接電源；充電電池為12V鋰電池，閑置時(shí)可使用主電源箱中充電器進(jìn)行充電。兩種電源供給方式可實(shí)現(xiàn)不同場所的應(yīng)用。主電源箱給參照電容控制器、濾波器以及PCT控制器供電。

潤滑油膜厚度的電容測量裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。受試摩擦副電壓信號經(jīng)過補(bǔ)償箱調(diào)整后，經(jīng)過三線電纜以及BNT同軸連接器傳輸至主控箱；信號經(jīng)過主控箱中參照電容控制器處理后傳輸至濾波器，信號經(jīng)過濾波器降噪后同時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與PCT控制器；最終由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出受試摩擦副電壓數(shù)值以及PCT電壓數(shù)值。受試摩擦副電壓數(shù)值經(jīng)過計(jì)算后可轉(zhuǎn)化為受試摩擦副潤滑油膜厚度；PCT電壓數(shù)值可反映受試摩擦副在某一段單位測試時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)干摩擦(油膜厚度為0)的比例。

上述的潤滑油膜厚度的電容測量方法具體包含以下步驟：

(1)對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)試。

具體調(diào)試過程包括：將電容測試裝置與樣品電容(電容值Cs＝400nF)連接，開啟補(bǔ)償箱、參照電容控制器和濾波器電源，將參照電容值(Cr)設(shè)定為10nF，并將濾波器調(diào)至3KHz；受試電容器連接系統(tǒng)后的輸出電壓Vt可根據(jù)公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)計(jì)算，式中受試電容值Ct＝樣品電容值Cs＝400nF，Vmax為系統(tǒng)最大輸出電壓＝10V，參照電容Cr＝10nF；根據(jù)需要，逐個(gè)連接補(bǔ)償箱中的電容，直到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的輸出電壓等于計(jì)算出的輸出電壓Vt。因這幾個(gè)電容為并聯(lián)，補(bǔ)償總電容即為所連接電容的和值。至此，校準(zhǔn)調(diào)試步驟完成。校準(zhǔn)完成后，受試摩擦副輸出電壓等于計(jì)算出的輸出電壓Vt；

(2)進(jìn)行摩擦副電容測試。

具體測試過程包括：用電纜將受試摩擦副表面測點(diǎn)位置與補(bǔ)償箱連接起來，并將摩擦副表面測點(diǎn)與電纜連接處用環(huán)氧樹脂封裝，避免信號受外部干擾；調(diào)試參照電容控制器中參照電容值：從可選的三個(gè)參照電容值中的10nF開始選擇，如輸出電壓值Vt大于5V，則選用1nF，如輸出電壓值Vt任然大于5V，則選用100pF；依次選擇通濾波器的5個(gè)截止頻率對輸出信號消噪，選擇輸出信號噪聲信號最小的截止頻率；上述步驟正確完成后，PCT控制器輸出值Vp即受試摩擦副在某一段單位測試時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)干摩擦(油膜厚度為0)的比例；經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的電壓值Vt即為受試摩擦副電容形成的電壓

(3)獲取測點(diǎn)膜厚數(shù)值

本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的膜厚數(shù)值小于100微米，選用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的被測摩擦副電壓值，然后可根據(jù)公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)可計(jì)算出被測脂膜厚度所對應(yīng)的電容Ct。再根據(jù)公式可以計(jì)算出膜厚值d，式中εr為材料相對靜態(tài)介電常數(shù)，對于真空來說，其值為1，ε0為真空節(jié)點(diǎn)常數(shù)值(8.854×10^-12Fm^-1)，A為摩擦副重合面積。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為荷蘭SKF公司生產(chǎn)的Lubcheck系統(tǒng)。

圖4為通過本裝置與測試方法獲取的不同電容值的摩擦副輸出電壓Vt隨著參照電容值變化的部分趨勢圖。通過整合試樣表面形貌信息、接觸區(qū)油膜載荷信息等，可以藉此研究摩擦副在各種因素影響下的油膜厚度變化特性。